JP4957746B2 - プラズマ発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、異常放電を抑制して安定したプラズマ放電を行うプラズマ発生装置に関する。

従来から、プラズマは反応活性な状態のため、表面処理、薄膜形成、エッチングなどに広く利用されている。より高速処理を行うためには、プラズマ密度を高くして反応活性種を増やす必要がある。プラズマ密度を高くするには、印加する電界を高電界化したり、ガス濃度を増加させ反応活性種を増加させる必要がある。電界を高電界化するには、印加する電圧を増加させたり、電極間距離を小さくすれば良い。しかしながら、電極間距離を小さくすると、アーク放電と呼ばれる異常放電が発生し、発生したジュール熱により電極や基材を損傷したり、形成した薄膜に欠陥を発生させるという問題があった。
特許文献１、２にみられるように、二重管電極構造で均一電界にする試みがなされているが、処理装置全体が複雑な構造となっていた。また、特許文献３に示すものは、プラズマ発生ノズルからプラズマ化したガスを放射する方式であり、プラズマ密度を均一にする上で問題があった。

特開２００１−２３９７２号公報 特開２００７−２３４２９７号公報 特開２００８−３００２８３号公報

本発明は、上記問題に鑑み、異常放電を抑制して安定したプラズマ放電を行うプラズマ発生装置を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、円筒形電極（１０）を有する円筒チェンバー部と、棒状電極（１）と、前記円筒形電極（１０）の内周面を移動自在な電極補正リング（１１）と、ベース（１５）に設置されたチャック部（２０、３０、４０）とを具備するプラズマ発生装置において、前記チャック部（２０、３０、４０）は、棒状電極（１）の下端部を点接触して把持させることができ、前記電極補正リング（１１）の中央部には、テーパ状の位置決め孔（１８）が設けられており、前記円筒形電極（１０）の中心軸が、前記チャック部（２０、３０、４０）の中心軸と一致するように、前記円筒チェンバー部は上下動可能に構成され、前記電極補正リング（１１）が、前記円筒形電極（１０）の内周面の所定位置に位置決めされた状態で、前記円筒チェンバー部が下降すると、前記電極補正リング（１１）のテーパ状の位置決め孔（１８）によって、前記棒状電極（１）が前記円筒形電極（１０）の中心軸に設置されるように位置補正されるようにした、電極間距離を一定にしてプラズマ放電を行うプラズマ発生装置である。

これにより、棒状電極を簡単に設置できて、電極間距離が一定に保たれ、異常放電を誘発する電界集中をなくし、均一な電界を印加することによって異常放電を抑制することができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記チャック部（３０）が、コレットチャックであることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記チャック部（４０）が、ダイヤフラムチャックであることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記チャック部（４０）の作動が流体圧で行われることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１から４のいずれか１項記載の発明において、前記棒状電極（１）の外周面と前記円筒形電極（１０）の内周面との電極間距離が、５ｍｍ以下であることを特徴とする。これにより、電極間距離を小さくすることによって発生頻度が高くなる異常放電が抑制されて、安定したプラズマ放電が得られ、しかも、高速処理が行える。

請求項６の発明は、請求項１から５のいずれか１項記載の発明において、プラズマＣＶＤ処理により円筒形電極内面に皮膜を形成することを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１から５のいずれか１項記載の発明において、プラズマＣＶＤ処理により棒状電極表面に皮膜を形成することを特徴とする。

なお、上記に付した符号は、後述する実施形態に記載の具体的実施態様との対応関係を示す一例である。

本発明の一実施形態を示す概要図である。 チャックの構造を示す部分図である。 チャックの構造の別の実施形態を示す部分図である。 チャックの構造の別の実施形態を示す部分図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。各実施態様について、同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。
本発明の一実施形態においては、被処理対象として、例えば、噴射弁のニードルや、型の押出ピンなどの円柱形状体に、プラズマ発生装置により、表面処理（汚染除去、改質）、薄膜形成、エッチングなどの処理を施す場合について説明する。被処理対象は上記例示に限定されるものではなく、円柱形状体、円筒形状体であれば本発明が適用可能である。

図１は、本発明の一実施形態を示す概要図である。図２は、チャックの構造を示す部分図である。図３、図４は、チャックの構造の別の実施形態を示す部分図である。
棒状電極１の外周面が、本実施形態において、被処理対象である。棒状電極１に対して、円筒形電極１０との間に電界を印加してプラズマ発生させる。円筒チェンバー部は、円筒形電極１０が内部に設けられており、鍔部１７を有している。円筒チェンバー部は、上下方向に移動可能となっており、鍔部１７がベース１５に密着して、円筒チェンバーが形成される。

円筒形電極１０内には、絶縁性材料で作られた電極補正リング１１が上下動可能に嵌合している。電極補正リング１１は、移動用ロッド１６で上下動する。電極補正リング１１には中央にテーパ状の位置決め孔１８が設けられている。一例として、孔径５ｍｍ程度のＡｌ₂Ｏ₃製で、円筒形電極１０の内径１５ｍｍ程度である。

円筒チェンバー部が下降してベース１５にかぶせるように設置されると、円筒形電極１０の所定位置で停留していた電極補正リング１１の位置決め孔１８が、棒状電極１の上端部をガイドして、棒状電極１と円筒形電極１０とを、それぞれの軸心が一致するように位置決めさせる。電極補正リング１１の中央部に明けられたテーパ状の位置決め孔１８によって、棒状電極１が、円筒形電極内部の中央に設置されるように位置補正されるようになっている。
円筒形電極１０の内部は、棒状電極１との間で電界が印加されてプラズマが発生する円筒チャンバーを構成している。円筒形電極１０の上部端には、排気部１３が設けられており、上部には整流板１２が設置されている。

ベース１５の凹部１８にはパワーチャック２０が設置されている。パワーチャック２０には、円錐状の爪２１が１２０度隔てて３個設置されている。円錐状の爪２１はシリンダ圧やバネ圧で棒状電極１の下端部を把持する。爪２１は円錐状に限らず、角錐であってもよく、要は先端部が尖っていれば良い。棒状電極１はチャックを通じて電源と接続している。なお、これに限らず、棒状電極１の上部から電源とコネクターで接続させても良い。
パワーチャック２０の中心は、円筒形電極１０の内面の軸心と一致するようになっている。この軸心を中心に、ガス導入部１４（長孔）が複数個放射状に設けられている。

パワーチャック２０の中心軸に円筒形電極１０の内面の中心軸は一致するように、円筒チェンバー部とともに、円筒形電極１０は上下に移動する。円筒チェンバー部の鍔部１７がベース１５に密着した後、円筒形電極１０の内部は、棒状電極１との間で電界が印加されてプラズマが発生する円筒チャンバーが構成される。円筒チェンバー部の鍔部１７とベース１５とは、内部圧に応じてクランプで接合する。

円錐状の爪２１は、流体圧で作動されて、棒状電極１の下端部を点接触して把持している。（把持の際はつるまきバネで押圧して、爪を開放する際には流体圧を用いるようにしても良い。）
このため、棒状電極１が、仮に円筒形電極１０の内面の中心軸に対して傾いていても、電極補正リング１１の中央部に明けられたテーパ状の位置決め孔１８によって、円筒形電極内部の中央に設置されるように位置補正される。
これにより、棒状電極１と円筒形電極１０との電極間距離が一定に保たれ、異常放電を誘発する電界集中をなくし、均一な電界を印加することによって異常放電を抑制する。

次に、本発明の一実施形態の作動について、説明する。
ロボットハンドなどにより、パワーチャック２０の中央に棒状電極１をセットして、ベース１５中央部に棒状電極１をセットする。パワーチャック２０の爪２１が、棒状電極１は下端部を点で把持する。その上で、円筒形電極１０の所定位置に電極補正リング１１をセットして、棒状電極１を円筒形電極１０にかぶせるように下降させる。

このプラズマ発生装置の円筒チェンバーを、１×１０^-2Ｐａ以下までロータリーポンプ（その他、ターボ分子ポンプ、クライオポンプなどでもよい）にて排気した後、被成膜面のクリーニングのため、ガス導入口１４からＡｒガスを導入し、棒状電極１にＤＣパルス電源から電圧（１００Ｖ〜５ｋＶ）を印加しプラズマを生成させ、Ａｒイオンを棒状電極１、円筒形電極１０に衝突させ被成膜面を活性化する。

次いでＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₄、Ｃ₂Ｈ₂等のメタン系、エチレン系、アセチレン系の炭化水素又はＣＦ₄等のフッ化炭化水素系のガスとＨ₂ガスを導入する。このときの圧力は１０Ｐａ〜大気圧とする。次に、被成膜面のクリーニングと同様ＤＣパルス電圧を印加しプラズマを生成し、被成膜面に膜を形成した。このようにして、異常放電なく皮膜形成することができる。以上の場合、ＣＶＤの一例を示したが、これに限定されるものではない。耐摩耗性膜、好摺動性膜の形成に限らず、表面処理（汚染除去、改質）、薄膜形成、エッチングなどの処理に応じて、適宜、使用するガス、印加電圧が選定される。

使用するガスとして、Ａｒ、Ｎ₂、Ｏ₂、Ｈ₂、ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₂、Ｃ₂Ｈ₄、ＣＦ₄、ＳＦ₆、ＳｉＨ₄、ＳｉＨ₃Ｃｌ、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂などが挙げられる。また、電極補正リング１１の絶縁材料としては、アルミナＡｌ₂Ｏ₃、窒化珪素Ｓｉ₃Ｎ₄、ジルコニアＺｒ₂Ｏ₅、イットリアＹ₂Ｏ₃などが挙げられる。

本発明の別の実施形態として、次のような変形形態が考えられる。
本発明の一実施形態ではパワーチャック２０で、棒状電極１の下端部を点接触して把持したが、図３に示すようなコレットチャック、図４に示すようなダイヤフラムチャックを用いても良い。

図３に示すコレットチャックの場合は、コレットチャック３０は３つ割り構造体３０’になっており、相互間にはバネ３２で拡張するように付勢されている。構造体３０’上部には爪３１がそれぞれ形成されている。構造体３０’下部には作動ロッド３３が係合している。作動ロッド３３が下方に引っ張られると、コレットチャック３０の構造体３０’の外周がテーパ面となっており、ベース１５のテーパ面との楔作用により、棒状電極１の下端部を点接触して把持することができる。

図４に示すダイヤフラムチャックの場合は、ダイヤフラム４０に３個の爪４１が突設されており、作動ロッド４２を下方に引っ張ると、棒状電極１の下端部を点接触して把持することができる。

次に、本発明の一実施形態では、電極補正リング１１は、移動用ロッド１６で上下動するように構成されていた。電極補正リング１１の上下動の作動方式としては、様々な変形形態が考えられる。移動用ロッド１６は円筒チェンバー部に設けられていたが、ベース１５から延びてきた移動用ロッドで、電極補正リング１１を上下動させても良い。

移動用ロッド１６を用いない方式としては、出没自在な係止ピンで円筒形電極１０の所定位置で停留させておき、電極補正リング１１による棒状電極１の位置補正を行う。その後、係止ピンの停留をはずし、円筒チェンバー内で、電極補正リング１１の上部から圧をかけて、電極補正リング１１を落下させて、棒状電極１に電圧を印加してプラズマ処理する方式としても良い。

円筒チェンバー内で、電極補正リング１１の下部から圧をかけて、電極補正リング１１を棒状電極１の処理面から上方に離間させる方式も考えられる。
以上の説明においては、棒状電極１の外周面が被処理対象であった。円筒チェンバー部に着脱自在に円筒形電極（１０）を設置すれば、円筒形電極（１０）を被処理対象とすることもできる。

１ 棒状電極
１０ 円筒形電極
１１ 電極補正リング
１５ ベース
１７ 鍔部
１８ 位置決め孔
２０、３０、４０ チャック部

Claims (7)

1. 円筒形電極（１０）を有する円筒チェンバー部と、棒状電極（１）と、前記円筒形電極（１０）の内周面を移動自在な電極補正リング（１１）と、ベース（１５）に設置されたチャック部（２０、３０、４０）とを具備するプラズマ発生装置において、
   前記チャック部（２０、３０、４０）は、棒状電極（１）の下端部を点接触して把持させることができ、
   前記電極補正リング（１１）の中央部には、テーパ状の位置決め孔（１８）が設けられており、
   前記円筒形電極（１０）の中心軸が、前記チャック部（２０、３０、４０）の中心軸と一致するように、前記円筒チェンバー部は上下動可能に構成され、
   前記電極補正リング（１１）が、前記円筒形電極（１０）の内周面の所定位置に位置決めされた状態で、前記円筒チェンバー部が下降すると、前記電極補正リング（１１）のテーパ状の位置決め孔（１８）によって、前記棒状電極（１）が前記円筒形電極（１０）の中心軸に設置されるように位置補正されるようにした、
   電極間距離を一定にしてプラズマ放電を行うプラズマ発生装置。
2. 前記チャック部（３０）が、コレットチャックであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生装置。
3. 前記チャック部（４０）が、ダイヤフラムチャックであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生装置。
4. 前記チャック部（４０）の作動が流体圧で行われることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生装置。
5. 前記棒状電極（１）の外周面と前記円筒形電極（１０）の内周面との電極間距離が、５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載のプラズマ発生装置。
6. プラズマＣＶＤ処理により円筒形電極内面に皮膜を形成することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載のプラズマ発生装置。
7. プラズマＣＶＤ処理により棒状電極表面に皮膜を形成することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載のプラズマ発生装置。

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